前饋過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計

1、過程控制課程設(shè)計任務(wù)書 設(shè)計目的根據(jù)設(shè)定的液位對象和其他配置,運用計算機(jī)和INTOUCH組態(tài)軟件,設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng),并通過調(diào)試使得水箱液位維持恒定或保持恒定或保持在一定誤差范圍內(nèi)。2 控制要求在工業(yè)過程控制中,實現(xiàn)前饋-反饋單回路控制。前饋控制的基本概念使測取進(jìn)入過程的干擾(包括外界干擾和設(shè)定值變化,并按其信號產(chǎn)生合適的控制作用去改變操縱變量,使控制變量維持在設(shè)定值上。前饋控制器的控制規(guī)律取決于被控對象的特性,按被控對象既定控制規(guī)律;反饋控制的控制規(guī)律采用PID規(guī)律。將前饋與反饋有效地結(jié)合,運用前饋控制在擾動發(fā)生后,抑制由主要擾動引起的被控量所產(chǎn)生的偏差;同時運用反饋控制,消除多種擾動對被控量的影

2、響。3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1 控制方案本設(shè)計通過前饋反饋控制系統(tǒng)實現(xiàn)對液位的控制。在前饋反饋控制系統(tǒng)中,前饋控制屬于開環(huán)控制,在設(shè)計中經(jīng)過對主流量的檢測,及時的針對主要擾動進(jìn)行液位的偏差抑制。當(dāng)流量測量值較預(yù)定值發(fā)生波動,即時通過計算機(jī)進(jìn)行PID計算,輸出控制信號,進(jìn)行液位調(diào)節(jié);反饋控制屬于閉環(huán)控制,通過對液位的測量,及時對液位進(jìn)行調(diào)控。反饋環(huán)節(jié)通過對液位的監(jiān)測,將測量值與給定值進(jìn)行比較,形成偏差后,通過A/D傳輸給計算機(jī),進(jìn)行預(yù)先設(shè)定的PID計算,輸出控制型號,進(jìn)行液位調(diào)節(jié)。前饋反饋控制原理框圖如下: 圖3.1 前饋反饋系統(tǒng)框3.2 儀表選擇圖流量傳感器采用V錐體流量計。V錐體在流場中產(chǎn)生的節(jié)

3、流效應(yīng),通過檢測上下游壓差來測量流量。與普通節(jié)流件相比,它改變了節(jié)流布局,從中心孔節(jié)流改為環(huán)狀節(jié)流。實踐證明,V錐形流量計與其它流量儀表相比,有長期精度高、穩(wěn)定性好、受安裝條件局限小、耐磨損、測量范圍寬、壓損小、適合臟污介質(zhì)等優(yōu)點。采用牛頓7000系列遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊作為計算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集通訊過程模塊。牛頓7000系列模塊體積小,安裝方便,可靠性高。D/A模塊采用牛頓7024,四通道模擬輸入模塊。電壓輸入15VDC。使用7017模塊的4通道IN4作為溫度信號檢測輸入通道。通信模塊采用牛頓7520,RS232轉(zhuǎn)換485通訊模塊。使用RS-232/RS-485雙向協(xié)議轉(zhuǎn)換,速度為300115

4、200BPS,可長距離傳輸。 圖3.2 牛頓7000系列模塊控制回路中電磁閥的開關(guān)量輸出模塊采用牛頓7043,16通道非隔離集電極開路輸出模塊。最大集電極開路電壓30V,每通道輸出電流100mA,可直接驅(qū)動電磁閥設(shè)備。采用電動調(diào)節(jié)閥對控制回路的水的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。采用德國PS公司進(jìn)口的PSL202型智能電動調(diào)節(jié)閥,無需配伺服放大器,驅(qū)動電機(jī)采用高性能稀土磁性材料制造的同步電動機(jī),運行平穩(wěn),力矩大,抗堵轉(zhuǎn),控制精度高?？刂茊卧c電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)一體化,可靠性高、操作方便,并可與計算機(jī)配套使用,組成最佳調(diào)節(jié)回路。有輸入控制信號4-20mA及單相電源即可控制運轉(zhuǎn)實現(xiàn)對壓力、流量、溫度、液位等參數(shù)的調(diào)節(jié),具

5、有體積小,重量輕,連線簡單,泄露量少的優(yōu)點。采用PS電子式直行程執(zhí)行機(jī)構(gòu),4-20mA閥位反饋信號輸出雙導(dǎo)向單座柱塞式閥芯,流量具有等百分比特性,直線特性和快開特性,閥門采用柔性彈簧連接,可預(yù)置閥門關(guān)斷力,保證閥門的可靠關(guān)斷,防止泄露。穩(wěn)定性可靠,控制精度高,使用壽命長等優(yōu)點。 圖3.3 電動調(diào)節(jié)閥在控制系統(tǒng)回路中所涉及的設(shè)備還有水泵,變頻器,電磁閥,開關(guān)電源等。水泵采用丹麥格蘭富循環(huán)水泵。噪音低,壽命長,楊成可達(dá)10米,功率小,220V 供電即可,在水泵出水口裝有壓力變送器,與變頻器一起可以構(gòu)成恒壓供水系統(tǒng)。所用到的電磁閥的工作電源為DC24V,關(guān)斷能力強(qiáng),使用方便,結(jié)構(gòu)簡單。所采用的24V

6、開關(guān)電源最大電流是2A,可以滿足系統(tǒng)的需要。 圖 3.4水泵3.3 系統(tǒng)流程圖 圖3.5 前饋反饋系統(tǒng)流程圖3.4 控制規(guī)律前饋反饋控制系統(tǒng)是通過PID控制規(guī)律實現(xiàn)對液位控制的最終目的,PID控制是比例積分微分的簡稱。工業(yè)生產(chǎn)工程自動控制的發(fā)展歷史中,PID控制是歷史最久、生命力最強(qiáng)的基本控制方式。PID算法具有以下的優(yōu)點:(1原理簡單,使用方便;(2適應(yīng)性強(qiáng);(3魯棒性強(qiáng),即其控制品質(zhì)對被控對象特性的變化不太敏感。4 系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計4.1 組態(tài)王簡介組態(tài)王是在PC機(jī)上建立工業(yè)控制對象人機(jī)接口的一種智能化軟件包。該軟件包從工業(yè)控制對象中采集數(shù)據(jù),并記錄在實時數(shù)據(jù)庫中,同時負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)的變化用動畫的

7、方式形象地表示出來,還可以完成變量報警、操作記錄、趨勢曲線等監(jiān)控功能,并按實際需要生成歷史數(shù)據(jù)文件,它以Windows 98/Windows 2000/Windows XP中文操作系統(tǒng)為操作平臺,采用了多線程、COM組件等新技術(shù),實現(xiàn)了實時多任務(wù)。它具有豐富的圖庫及圖庫開發(fā)工具,支持各種主流的PLC、智能儀表、板卡和現(xiàn)場總線等工控產(chǎn)品,有一種類似C語言的編程環(huán)境,便于處理各種算法和操作,還內(nèi)嵌了許多函數(shù)供用戶調(diào)用,實現(xiàn)各種功能。4.2 組態(tài)軟件設(shè)計在Windows XP環(huán)境下,控制系統(tǒng)軟件以組態(tài)王6.01作為開發(fā)平臺。整個監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集,總體監(jiān)視,設(shè)備控制,相關(guān)參數(shù)實時在線調(diào)整,顯示實時

8、曲線,歷史曲線等功能。組態(tài)王對設(shè)備的管理是通過對邏輯設(shè)備名的管理實現(xiàn)的,具體講就是每一個實際I/O設(shè)備都必須在組態(tài)王中指定唯一的一個邏輯名稱,此邏輯設(shè)備名就對應(yīng)這該I/O設(shè)備的生產(chǎn)廠家、實際設(shè)備名稱、設(shè)備通信方式、設(shè)備地址、與上位計算機(jī)的通信方式等信息的內(nèi)容。系統(tǒng)中與上位計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的外部設(shè)備主要是A/D設(shè)備,牛頓7017模塊和D/A設(shè)備,牛頓7024模塊。在組態(tài)王軟件工程瀏覽器中,設(shè)置7017模塊IN4通道和7024模塊和I/O1通道名稱分別為AD和DA,與計算機(jī)COM1串口通信,通信地址分別為0和1.通信參數(shù)的設(shè)置如下表所示:表4.1 通信參數(shù)設(shè)置表 本系統(tǒng)繪制的組態(tài)畫面主要有開機(jī)畫

9、面,系統(tǒng)組成畫面等。開機(jī)畫面主要顯示課題題目,制作人姓名,班級等相關(guān)信息。畫面上設(shè)置有兩個提示按鍵,分別提示操作員進(jìn)入主界面或推出操作系統(tǒng)等。系統(tǒng)主界面主要繪制的是前饋反饋單回路控制系統(tǒng)的工藝組成圖。包括水箱,管道,流量計和閥門等設(shè)備以及相關(guān)的操作提示按鈕等?；趧赢嬤B接,主界面可實現(xiàn)自動,手動操作的切換,以及顯示PID參數(shù)整定框和實時曲線框以方便操作員在線調(diào)整PID參數(shù)觀察控制效果。系統(tǒng)主界面如下圖所示: 圖4.1 開機(jī)畫面 圖4.2前饋反饋系統(tǒng)組態(tài)圖根據(jù)控制系統(tǒng)的需要建立數(shù)據(jù)詞典,以便確定內(nèi)存變量與I/O數(shù)據(jù),運算數(shù)據(jù)的關(guān)系。只有在數(shù)據(jù)詞典中定義的變量才能在系統(tǒng)的控制程序中使用。本系統(tǒng)中所

10、涉及到的變量的類型重要有與A/D、D/A設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的I/O實型變量,控制電磁閥開關(guān)的I/O離散變量,用于定義開關(guān)動畫連接的內(nèi)存離散變量,參與PID運算的內(nèi)存型實型變量和實現(xiàn)各種動畫效果所用到的內(nèi)存實型或內(nèi)存整型變量等。具體的數(shù)據(jù)詞典如下圖所示: 圖4.3 數(shù)據(jù)詞典根據(jù)前饋反饋控制系統(tǒng)的原理,運用組態(tài)王所提供的類似于C 語言的程序編寫語言實現(xiàn)PID 控制算法。由于溫度系統(tǒng)大滯后特點,取采樣周期為Ts=20s 。 本系統(tǒng)采用PID 位置控制算法,其控制算式如下:0120122(1(1(1(1(2(1(1(2(12(1dd d p p p i dp i dp d pT T T T u k u

11、k K e k K e k K e k T T T Tu k a e k a e k a e k T T a K T T T a K TT a K T=-+-+-+-=-+-+-=+=+=間的變化。 在前饋反饋控制系統(tǒng)中，趨勢曲線所要表達(dá)的三個參數(shù)分別為計算機(jī) 依據(jù) PID 算法的輸出值 u (k ，系統(tǒng)給定值 S P 和檢測反饋值 Pv 。實時趨勢曲線和 歷史趨勢曲線分別如下圖所示： 圖 4.5 實時趨勢曲線 圖 4.6 歷史趨勢曲線 附錄 腳本程序 啟動時： DO1=0; DO4=0; Ts=1; P1=Kp I1=Ti/Ts; 10 D1=Td/Ts; Uk0=0; Uk1=0; Uk2

12、=0; Uk3=0; Uk=0; ek0=0; ek01=0; ek02=0; 運行期間： If(本站點實時控制=1 VV1=1； VV4=1; P1=Kp; I1=Ti/Ts; D1=Td/Ts; Sp1=sp； Pv1=本站點liquid-up; If(本站點自動=1 本站點a01=本站點P1*(1+1本站點I1+本站點D1; 本站點a11=本站點P1*(1+2*本站點D1; 本站點a21=本站點P1*本站點D1; 本站點ek0=本站點sp-1本站點PV; 本站點uk4=本站點a01*本站點ek0-本站點a11*本站點ek01+本站點a21*本站點 ek02+本站點uk01; 本站點uk01=本站點uk4； 本站點ek02=本站點ek01； 本站點ek01=本站點ek0； If（本站點uk4<1000） if